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Hintergrund
Weiße Leuchten-Interferometrie
Weiße Leuchten-Interferometrie-Anwendungen
Stift Profilometrie
AtomKraft-Mikroskopie
Konfigurierendes FLUGHANDBUCH für QC-Anwendungen
Hintergrund
Der Meiste Oberflächenmetrologiebedarf kann durch eins von drei ergänzenden Hilfsmitteln erfüllt werden - das Interferometer der weißen Leuchte, das Atomkraftmikroskop und das Stiftstraßenoberflächenmessgerät.
Quantitatives Maß der Oberflächentopographie ist jetzt eine Anforderung der Taste QC/QA in einer in zunehmendem Maße breiten Reichweite der Industrien, der Produkte und der Materialien. Dieses umfaßt Maße auf Endprodukten, Forschung und Entwicklung (R&D) in neue Oberflächen- und Oberflächenbehandlungen und der Inprozeß, der während der Massenproduktion überwacht.
Materialien umfassen die Metall-, der Zusammensetzungen, Plastik-, des Papiers, angestrichenen und überzogenen Oberflächen, poröser Oberflächen und Glases.
Treiber für diese Maße reichen von der kritischen Funktions- und Leistungsauswirkung, wie im Falle einer teilweise aufbereiteten Halbleiterwaferoberfläche, bis zu erwarteter Lebenszeit, wie für Hipsimplantats-Auflageflächen, bis zu ästhetischen Erwägungen, ein Beispiel, das orange Schale im Automobillack ist.
Einiger unterschiedlicher Kontakt und berührungsfreie Techniken unterstützen aktuell diese Anwendungsverschiedenartigkeit, das weit verbreitetste Sein zwei Interferometrie der weißen Leuchte und Stiftprofilometrie. Jetzt wird eine andere Technik mit sogar höherer Auflösung - Atomkraftmikroskopie - zum Übergang vom Labor zum atline und zu den Onlineanwendungen balanciert.
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Abbildung 1. Optische Auswerteprogramme sind für messende Oberflächenrauigkeit auf Rasierklingen und anderen Schaufelbaumustern gut angepasst.
Weiße Leuchten-Interferometrie
Die Interferometrie der Weißen Leuchte, häufig gekennzeichnet als optische Profilometrie, ist eine vielseitige und starke optische Methode, die Lichtwellen als extrem genaue Lehre verwendet. Dieses ist unter Verwendung des gleichen Interferenzbilds erreicht, das farbige Bänder produziert, wenn Sonnenlicht weg von einem sehr Dünnfilm des Benzins schwimmend auf eine Wasserpfütze reflektiert wird.
Ein optisches Auswerteprogramm ist ein Baumuster Mikroskop, in dem Leuchte von einer Lampe in zwei Pfade durch einen teilweise reflektierenden Spiegel aufgespaltet wird, der einen Strahlenteiler genannt wird.
Ein Pfad verweist Leuchte ein auf die Oberfläche in Versuch, der andere Pfad verweist Leuchte auf eine sehr flache Bezugsfläche.
Reflexionen von den zwei Oberflächen werden im Mikroskop und abgebildet an einer Digitalkamera wiederverbunden. Wenn der Pfadunterschied zwischen den wiederverbundenen Trägern im Auftrag einiger Wellenlängen der Leuchte oder kleiner ist, tritt Störung auf. Dieses produziert eine Reihe dunkle und helle Bänder, genannt Fransen. Diese Fransen entsprechen den Höhenlinien der Prüfungsoberfläche und bilden seine vertikale (Z-Schwerpunkts) Topographie an einer Auflösung ab, die so hoch ist wie 0,1 nm.
Die X-Yauflösung hängt von der Wahl des Lernziels und der Anzahl von Kamerapixeln ab und kann wie 500 nm so fein sein. Die Technik liefert auch absolute nm der Genauigkeit ±3 im Z-Schwerpunkt.
Handelsübliche optische Auswerteprogramme des Stroms reichen von benchtop R&D-Anlagen zu die Instrumente, die stromlinienförmige Funktionalität für online oder Prozessüberwachung des AnLine anbieten. Die höchstentwickelten von diesen erzeugen statistische Oberflächentopographiedaten, wie Ra und Rq (Durchschnitt u. EFFEKTIVWERT-Rauheit) und umfassen sogar Bildanalysesoftware, die Merkmalsbreiten und relative Stellungen berechnet und die angepasst werden kann, um Abweichungen von einer idealen Form zu kennzeichnen. Sie aktivieren auch Screening für Defekte, wie Kratzer und Vertiefungen, an Operator-festgelegten seitlichen und vertikalen Schwellwerten, mit automatischer Teilrückweisung und dem Ursache-Protokollieren für verbessertes prozesskontrolliertes.
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Abbildung 2. Dieses Beispiel markiert den Nutzen der Phasendarstellung mit einem FLUGHANDBUCH. Topographie (gelassen) und Phasenbild (recht) einer cryo-microtomed mehrschichtigen Polyäthylenprobe. Während Topographie durch umfangreiche Schwingungen beherrscht wird, liefert Phase eine saubere Ansicht der Sandwich-Struktur. Zusätzliche Feinstruktur zeigt das Vorhandensein von kleinen Tröpfchen.
Weiße Leuchten-Interferometrie-Anwendungen
Die Vorteile der optischen Profilometrie sind Vielseitigkeit, Drehzahl und breiter Z-Schwerpunkt Dynamikwerte. Plus, dieses ist eine vollständig berührungsfreie Methode. Die großen Dynamikwerte der heutigen Digitalkameras erlauben seinen Gebrauch mit dem Oberflächenreflexionsvermögen, das von 0,5% bis zu mehr als 90% reicht. Außerdem weil das optische Auswerteprogramm ein Darstellungshilfsmittel ist, das Bereichsmaße mit jedem Datenerfassungsereignis macht, kann es eine Oberfläche ein Profil erstellen, die viel schneller als ein Hilfsmittel ist, das serienmäßig Punkt für Punkt fortfahren muss.
Und einer der Vorteile von ihm seiend ein optisches, berührungsfreies Hilfsmittel ist, dass das Instrument Maße durch transparente Fenster, wie in Unterdruckkammern oder Produktverpacken machen kann. Plus die späteste Software und die Kleinteile aktivieren Reihen diese Instrumente, dynamischen und gestoppten Antrag von beweglichen Oberflächen zu studieren, wie in MEMS-Einheiten wie den micromirror Chips, die in den Projektionsfernsehen verwendet werden.
Zuletzt bietet das optische Auswerteprogramm eine sehr große Z-Schwerpunkt Reichweite, von einigen nm bis zu den Merkmalshöhen an, die so groß sind wie 10.000 Mikrons.
Qualitätsanwendungen für optische Auswerteprogramme überspannen alles von den Cleanroomanwendungen in der Aerospace und medizinische Geräte zur Fabrik breiten Anwendungen in der Schwerindustrie wie Automobil aus.
Im Hinblick auf hochrangige Anwendungen wird diese Technologie jetzt durch einen der führenden US-Hersteller der Küchen- und Badezimmerhähne und der in Verbindung gestandenen Beschläge eingesetzt. Die Instrumente werden verwendet, um die Oberfläche von Teilen vor und nach Verchromung zu prüfen.
Ursprünglich verwendet für Verfahrensentwicklung, wurden diese Maße in Prozess-QC-Bedingungen entwickelt, die mit erkannter kosmetischer Qualität sowie Widerstand zur Chromschale und -lochfraß aufeinander beziehen.
Eine Andere optische Auswerteprogrammanwendung ist an einem bedeutenden Hersteller von Rasierklingen. Hier werden die Instrumente für Schlüssel-Maßschleifen Winkel QC-zwei der Messerschneide und der Tiefe und Qualität von Kerbenkennzeichen verwendet. Die Schaufeln werden als kontinuierliche Spule von bis zu zehn Tausenden Schaufeln hergestellt, die dann automatisch singulated, indem man an diesen mechanisch erstellte Kerbenzeilen reißt. Der Schleifenwinkel ist ein besonders kritisches QC-Maß, weil bis 1 Million Schaufeln basierten nur auf optischen Auswerteprogrammdaten von nur einigen statistischen Proben in jedem Stapel dispositioned.
In einer sehr unterschiedlichen Anwendung der geringen Lautstärke/des hohen Wertes verwenden die NASA-Auftragnehmer dieses Baumuster des optischen Auswerteprogramms, um die Raumfährefenster für die Mikrovertiefungen zu prüfen und auszuwerten, die durch Mikrometeoriteneinschläge verursacht werden. Basiert auf den Ergebnissen dieser Maße, werden die teuren Saphirfenster gewöhnlich nach vier bis fünf Aufträgen ausgetauscht.
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Abbildung 3. Optische Auswerteprogramme sind im Hersteller von medizinischen Geräten weit verbreitet, wie in diesen Maßen einer Vielzahl der Implantatsoberflächen dargestellt: (a) Hipsimplantatskopf, (b) Hipsimplantatscup, (c) Knieimplantat (lastentragende Oberfläche) und (d) Zahnimplantat.
Stift Profilometrie
Stiftprofilometrie ist herum für Jahrzehnte gewesen, dennoch bleibt es das Hilfsmittel der Wahl in einigen Schlüsselanwendungen, im Teil wegen seiner ausgezeichneten Leistung, zum des Verhältnisses zu kosten. In einem Stiftstraßenoberflächenmessgerät wird eine Diamant-gespitzte Nadel oder ein Stift über eine Oberfläche durch eine Präzisionsantragstufe gezeichnet. Schwankungen der Oberflächentopographie verursachen vertikale Stiftbewegung, die durch einen Linearen Variablen Differenzialen Wandler ermittlt wird (LVDT). Instrumentauflösung hängt vom Stiftspitzenradius ab und kann wie 1 nm in der Höhe so fein sein.
Obgleich es offenbar ein Oberflächenkontakthilfsmittel ist, macht die niedrige Stiftanwendungskraft von Instrumenten gewöhnlich diese Technik zerstörungsfrei. Die Vorteile von Stiftprofilometrie sind seine Fähigkeit, lange lineare Scans schnell durchzuführen - bis 200 mm - seine Kapazität, verhältnismäßig große Schritthöhen mengenmäßig zu bestimmen und seine niedrigen Kosten.
Er wird gut für das Erzeugen von transect Daten verwendet; während Bereichsdaten durch Rasterscannen akkumuliert werden können, ist dieses mit höherer Geschwindigkeit und Durchsatz unter Verwendung der optischen Profilometrie gewöhnlich erreicht.
Der Markt für Stiftstraßenoberflächenmessgeräte wird durch die Qualitätsanwendungen beherrscht, die Filme und Beschichtungen mit einbeziehen. Ein aktuelles Beispiel ist Qualitätskontrolle der Verkupferung auf dem Schreibungselement praktisch jedes gemachten Festplattenlaufwerks.
Anders misst die Form der microlens ab, die in DVD oder in den ähnlichen Spielern der optischen Speicherplatte verwendet werden. Eine Schlüsselanwendung in der Halbleiterindustrie ist Regelung des Filmdruckes, zusammenpressend und dehnbar. Dieser Druck wölbt sich den Wafer und der Stift wird verwendet, um seine Biegung schnell zu messen und die Größe des Druckes von diesen Daten zu berechnen.
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Abbildung 4. In einem typischen optischen Auswerteprogramm zeichnet eine Digitalkamera Fransen auf, die aus Reflexionen weg weg einer Prüfungsoberfläche und von einer Bezugsfläche resultieren. Der Anlagencomputer konvertiert diese Fransen in hohe Auflösung
topographische Informationen.
AtomKraft-Mikroskopie
Das späteste Hilfsmittel im Arsenal von Lösungen für QC-Metrologie ist das Atomkraftmikroskop (AFM). In einem FLUGHANDBUCH wird eine hyper-feine Spitze, wie ein einzelner Kristall des Silikons oder des Diamanten, an einer leichten Auskragung montiert und geholt in Kontakt mit einer Oberfläche. Interatomic Kräfte verursachen Ausschlag im verhältnismäßig weich Kragbalken. Zuerst diese Kräfte seien Sie schwach attraktiv, aber sie werden stark abstoßend, da Oberflächenkontakt, werden gemacht. Die kleinen freitragenden Ausschläge werden ermittlt, indem man ein Laserstrahl weg vom Kragbalken und auf einen positionsensing Fotodetektor aufprallt.
In einem modernen Werbung FLUGHANDBUCH wird der Kragbalken oder die Probe, an einem dreidimensionalen Präzisionsstellzylinder, normalerweise eine piezoelektrische tubelike Zelle montiert. Am geläufigsten wird dieses verwendet, um eine konstante Interaktionskraft zwischen der Probe und der Spitze beizubehalten. Durch Rasterscannen kann die Spitze im Verhältnis zu der Probe, ein quantitativer topographischer Lageplan erstellt werden basierte auf der piezo Spannung, die benötigt wird, um konstante Interaktionsstärke beizubehalten. Die auf gleicher Ebene (oder X-Y) Auflösung eines FLUGHANDBUCHS wird hauptsächlich durch den Spitzenradius begrenzt, und es ist häufig 10 nm oder manchmal besser. Die Auflösung in der vertikalen (Z) Abmessung nicht direkt zusammenhängt mit der Spitze und ist möglicherweise im Bereich von 0,05 nm (0,5 Å).
Das Instrument auch wird in TappingMode betrieben möglicherweise. Hier wird der Kragbalken hergestellt, um wie eine Stimmgabel schnell zu oszillieren und leicht klopft auf der Oberfläche. In dieser Betriebsart werden die Amplitude und die Phase des oszillierenden Kragbalkens verwendet, um Oberflächentopographie abzumessen. Dieser Modus ist weit verbreitet, weil es für empfindliche Proben ideal ist - sogar nasse Membranen - weil er seitliche Kräfte zwischen der Spitze und der Oberfläche vermeidet. TappingMode ist für harte Proben wie Metalle günstig, weil es größere Präzision der Kraftregelung ermöglicht.
Zusätzlich zu einfach messender Oberflächentopologie kann die FLUGHANDBUCH-Oberflächespitze Interaktion angepasst werden, um einen Hauptrechner von den körperlichen, chemischen und elektromagnetischen Maßen herzustellen. Beispiele umfassen das Abbilden der seitlichen Kraft auf der Spitze (nanoscale Reibung) und die Bestimmung von piezoelektrischen Beschäftigungsgraden.
Konfigurierendes FLUGHANDBUCH für QC-Anwendungen
Wegen seiner nanoscale Auflösung gilt das FLUGHANDBUCH normalerweise als das entscheidende Oberflächenmetrologieinstrument, durch einiges. Es kann Oberflächen auf dem einzelnen Molekülniveau buchstäblich ein Profil erstellen. Und anders als frühere Forschungshilfsmittel, kann es an einer Vielzahl von Oberflächen arbeiten, ohne die spezielle benötigte Vorbereitung. Es kann Oberflächen sogar prüfen, die im Wasser und in anderen Flüssigkeiten untergetaucht werden.
Jedoch bis sehr vor kurzem, die Mehrheit einer FLUGHANDBUCH-Anwendungen auf dem Forschungslabor und R&D-Teildiensten begrenzt worden sind. Dieses ist, weil AFMs den erforderlichen Ruggedization und die Betriebseinfachheit nicht für Hilfsoperatoren in der Produktionsumgebung anbot. Eine Ausnahme dieses ist die Halbleiterindustrie gewesen, die jetzt weitgehend AFMs einsetzt, um einige Stufen der Speicher- und Logikbausteinproduktionsverfahren zu validieren.
Eine typische Handelsforschungsanwendung ist an 3M, ein Hauptteillieferant für wegwerfbare Windelprodukte. Der Klebstreifen auf diesen Produkten sollte durch eine einzelne Handdruckerei sicher geschlossen werden, um ein sicheres Gefühl zu geben der Muttergesellschaft, die ein Kind ändert. Aber dieses hängt von einer einheitlichen Anwendung des Klebers ohne blank Stellen oder ungleiche Beitrittsstufen ab. Die Firma erwarb vor kurzem ein FLUGHANDBUCH, um die Selbstklebefolie unter Verwendung einer Technik zu studieren, die Phasendarstellung genannt wurde.
Dieses ist eine Ausdehnung von TappingMode-Darstellung. Indem sie die Phase des oszillierenden Kragbalkens ausarbeitet, geht Phasendarstellung über das einfache topographische Abbilden hinaus. Speziell ist sie für Schwankungen des Beitrittes und der Viskoelastizität empfindlich und kann Informationen über Beispielzusammensetzung und microphase Trennung zur Verfügung stellen.
Entsprechend 3M hat diese Technik interessante Merkmale aufgedeckt, die nicht durch irgendeine andere Technik entdeckt worden waren. Außerdem glauben 3M, dass diese Merkmale wichtige morphologische Änderungen in der Formulierung sein konnten.
AFMs auch sind erfolgreich in einigen Fehleranalyse- und Produktverbesserungsanwendungen verwendet worden.
Zum Beispiel musste eine einmachende Firma der Fische analysieren, warum ihr Thunfisch eine kürzer als erwartete Haltbarkeitsdauer hatte. Das FLUGHANDBUCH wurde verwendet, um Beschichtungsalterung auf der inneren Dosenoberfläche zu analysieren. Dieses deckte auf, dass Eigenschaften im spezifischen Wasser, das durch die Konservenfabrik verwendet wurde, die schützende Beschichtung des Polymers verschlechterten, die verwendet wurde, um den Thunfisch vor der Belastung durch blank Metall zu schützen.
Jetzt wird eine neue Generation von Vertrag ruggedized AFMs balanciert, um diesen die gleichen Fähigkeiten vom R&D-Labor in Mainstream QC-Operationen zu nehmen. Frühe Anwendungen für diese neuen Instrumente sind für das Überwachen von Oberflächenrauigkeit und von Defekten in überzogenen Oberflächen und in Geldstrafenenden. Andere frühe Adoptierende sind im Bereich von Filmen und von Folien wie aluminisiertem Polymerfilm.
Als schlußfolgerung können QC-Maße der Oberflächentopographie in einer Vielzahl von Anwendungen mit drei grundlegenden Baumustern Instrumente instand gehalten werden - das optische Auswerteprogramm, das Atomkraftmikroskop und das Stiftstraßenoberflächenmessgerät.
Jedoch ist es nicht immer zu dem uneingeweihten klar, das von diesen Anflügen für einen gegebenen Gebrauch am besten ist. Deshalb benötigt das Wählen des rechten Instrumentes für eine bestimmte Anwendung das Zusammentun mit einem Lieferanten, der die Fähigkeiten und die Beschränkungen von jeder dieser Technologien versteht.
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